USO DEL TITANIO IN SISTEMI AVANZATI APPLICATI ALLA CHIRURGIA ORTOPEDICA E TRAUMATOLOGICA.

1) Caratteristiche fisiche
Il titanio è un elemento puro, presente in natura sotto forma di ossidi e molto diffuso sulla crosta terrestre: è il nono elemento in ordine di abbondanza ed il terzo metallo utilizzabile in costruzioni meccaniche, dopo Alluminio e Ferro. E’ inserito nel sistema periodico degli elementi nel IV gruppo, IV periodo. Il numero atomico è 22 e, pur essendo un elemento di transizione, il suo comportamento è prevalentemente metallico.

Data la grande affinità del Ti con l’Ossigeno, l’Azoto e l’Idrogeno, i processi di produzione e raffinazione sono molto complessi e quindi estremamente costosi.
Il primo stadio della produzione è la trasformazione del minerale in Tetracloruro di Titanio. Successivamente viene effettuata una riduzione del Tetracloruro con Magnesio (Processo Kroll) oppure Sodio (Processo Hunter). A questi processi si sta affiancando quello elettrolitico. Il metalli o prodotto si presenta sotto forma di agglomerati "spugna" o "granuli") che vengono separati dai sottoprodotti mediante lisciviazione o distillazione sotto vuoto.
Successivamente il metallo grezzo (spugna o cristalli) viene compattato in bricchette, con le quali si compongono gli elettrodi consumabili per la fusione del metallo in forni VAR (Vacuum Arc Remelting). E’ in questa fase che si aggiungono gli elementi leganti per produrre le leghe di Titanio.
Il Ti di purezza elevata è infatti un materiale relativamente duttile, le cui caratteristiche meccaniche non sempre sono sufficienti per la realizzazione di parti notevolmente sollecitate. Per questo motivo il Titanio viene utilizzato come elemento base per formazione di leghe con prestazioni più elevate.
Alla temperatura ambientale il metallo possiede una struttura esagonale compatta, chiamata Fase Alfa, la quale subisce una trasformazione cristallina verso 882 °C divenendo cubica centrata, chiamata Fase Beta, che resta stabile fino al punto di fusione di 1660 °C . Pertanto, dal punto di vista mettallurgico, le leghe di Titanio si dividono in tre classi: Alfa, Alfa + Beta, Beta.
Le leghe Alfa sono saldabili, duttili, resistenti, ma non possono essere sottoposte a trattamenti termici.

Le leghe Alfa + Beta si possono sottoporre a trattamenti termici, sono più facilmente lavorabili delle leghe Alfa e possiedono elevate caratteristiche meccaniche e di resistenza alla corrosione.
Le leghe Beta sono generalmente sottoposte a trattamenti termici, presentandosi in generale molto dure e fragili.

Nella formazione di leghe si distinguono elementi Alfa-geni, che allargano i campi di esistenza delle rispettive fasi.
- Elementi Alfa-geni

Soluzioni solide di sostituzione: Al
Composti interstiziali: C, O, N, B
- Elementi Beta-geni
Composti intermetallici: Mn, Si, Fe, Cr, Co, W, Ni

Stabilizzano fase Bet5a fino a temperatura ambiente: Mo, V, Nb, Zr, Ta.
Una delle leghe più diffuse per applicazioni meccaniche è quella composta da 90% Ti, 6% Al, 4% V. L’alluminio, allargando il campo di esistenza della fase Alfa, permette un innalzamento della temperatura di trasformazione Alfa-Beta, stabilizzando la lega a temperatura ambiente e aumentandone la lavorabilità a caldo; il Vanadio permette il mantenimento a temperatura ambiente della fase Beta, più duttile durante le lavorazioni a temperatura elevata.
La lavorazione a caldo (Forgiatura) nel campo Alfa + Beta conferisce un primo incrudimento al materiale; nelle applicazioni industriali a temperature non elevate la struttura finale è ottenuta con trattamenti termici: il più diffuso è Tempra + Invecchiamento (Bonifica).
Durante la Tempra viene conservata in maniera metastabile tutta o parte della fase Beta presente ad alta temperatura; la struttura ottenibile è di tipo aciculare-martensitico, e si presenta come fine dispersione di Beta in una Alfa (Fig. 5).
L’Invecchiamento è ottenuto mediante raffreddamento lento nel campo in cui si origliano le fasi stabili a bassa temperatura, e permette la decomposizione della fase Beta sovrasatura e incremento della resistenza meccanica.
Tempra, Invecchiamento e Ricottura vengono comunque variati a seconda delle esigenze tecnologiche successive.


CARATTERISTICHE MECCANICHE
Modulo elastico

Il Modulo Elastico (o di Young) di un materiale può definirsi come il rapporto tra lo sforzo specifico applicato e la deformazione percentuale prodotta da tale sforzo. L’aggettivo "Elastico" implica il ritorno alle condizioni primitive, una volta terminato lo stato di sforzo: cioè si considera lineare il diagramma sforzi-deformazione nell’intervallo in esame.
Il M.E. è caratteristica del solo materiale impiegato, non della forma né delle dimensioni del provino scelto per ottenerlo. Il TiAlV64 è la lega metallica, tra quelle oggi disponibili, il cui modulo elastico è il più simile a quello dell’osso corticale: il valore di E (E = modulo di Young) per ilTi (E = 110 GN/m2) è circa metà di quello degli Acciai Austenitici (E = 200 GN/m2).

Confronto tra le proprietà fisiche del Titanio e alcuni metalli

 
Ti
Fe
Al
ni
Cu
Densità (gr/cm3)
4,51
7,9
2,7
8,9
8,9
Temp. di Fusione (°C)
1668
1530
660
1453
1083
Conducibilità Termica (Wm –1 °C –1)
19
63
205
92
38
Conducibilità Termica (Wm –1 °C –1)
8,6
12
23
15
17
Resistività Elettrica (10-8 W m)
42
10
2,7
9
1,7
Modulo elastico (Kg/mm2)
10000
21000
7000
21000
10500

Conducibilità termica = 19 < altri metalkli elettrodi di Cu costituiscono una via preferenziale per la dissipazione del calore generato dall’impulso elettrico 250/300 millesecondi.